阳能热水器不锈钢内胆的腐蚀.doc

浅析太阳能热水器不锈钢内胆的腐蚀SOLARENERGY圜圈鄹—■浅析太阳能热水器不锈钢内胆的腐蚀皇明太阳能集团有限公司■安洁侯大勇李希雷夏贞元随着太阳能热水器的不断普及,产量的不断扩大,各种钢材尤其是钢卷的使用量逐年增加.内胆是太阳能热水器的关键组成部件,内胆的性能直接影响了热水器的使用寿命,内胆一旦漏水,就宣布整个热水器报废,因此内胆的质量一直是各太阳能厂家关注和头疼的事情.影响内胆质量的关键因素是抗腐蚀的性能,本文按腐蚀的影响因素分类介绍,表1着重分析内胆腐蚀的有关情况.一内胆材料的选用大部分太阳能制造企业采用SUS304作为内胆材料.SUS304不锈钢本身的耐蚀性能良好,耐强酸,强碱及氧化性强酸等的腐蚀.SUS304对应的中国金属牌号为0Crl8Ni9,其各种金属元素的含量见表l.0Crl8Ni9是一种奥氏体不锈钢,其强度,硬度均很低(硬度为HBt35左右),无磁性,塑性,韧性及耐蚀性均比Crl3型不锈钢好.奥氏体不锈钢较适宜于冷作成型,其焊接性能也较好,一般采取冷加工变形强化措施来提高其强度性能.18—8型不锈钢中含碳量都很低,甚至极微,属于超低碳范围.钢中Cr的主要作用是产生钝化,阻碍阳极反应,增加耐蚀性;Ni的主要作用是扩大Y区降低钢的Ms点(降低至室温以下),使钢在室温条件下具有单相奥氏体.Cr和Ni在奥氏体中的共同作用,进一步改善了钢的耐蚀性.下面着重介绍不锈钢的腐蚀情况.1点蚀点蚀多发生在表面有钝化膜或保护膜的金属上.凡是表面具有氧化或钝化膜的金属或合金材料,铝合金,不锈钢,耐热钢,钛合金等,在大多数含有氯离子或氯化物的腐蚀介质中,都有发生点蚀的可能.在阳极极化条件下,介质中只要含有氯离子,金属就很容易发生点蚀.点蚀随着氯离子浓度的加大而加速,其他阴离子如Br一,B0卜,I一,过氯酸盐(或硫酸盐)等也可诱发点蚀.尤其是当钝化膜表面存在机械裂缝,擦伤,夹杂物或合金相,晶间沉淀,位错露头,空穴等缺陷造成膜的厚薄不匀时,就更容易诱发局部破坏.由于缺陷处易显露基体金属,使之呈活化态,而钝化膜处则呈钝态,这样就形成了活性一钝性腐蚀电池,具备产生点蚀的条件.也可以说,既有钝化剂又有活化剂的腐蚀环境,是易钝化金属产生点蚀的必要条件,而钝化膜的缺陷及活性离子的存在是引起点蚀的主要原因.2奥氏体不锈钢的晶间腐蚀固溶处理的奥氏体不锈钢在450～850~C保温或缓慢冷却,并在腐蚀介质中暴露一定时间,就会产生晶间腐蚀.若在650～750~C加热一定时间,则这类钢的晶问腐蚀就更为敏感.这是由于在含碳量大于0.02%的奥氏体不锈钢中,碳与铬可生成碳化物(Cr:C).这些碳化物高温淬火,呈固溶态溶于奥氏体中,铬均匀分布,使合金各部分铬含量均在钝化所需值,即12%Cr以上.虽然这种过饱和固溶体在室温下暂时保持这种状态,但是不稳定.如果加热到敏化温度范围内,碳化物就会沿晶界析出,铬便从晶粒边界的固溶体中分离出来.由于铬的扩散速度缓慢,远低于碳的扩散速度,不能从晶粒内固溶体中扩散补充到边界,因此只能消耗晶界附近的铬,造成晶粒边界贫铬区.贫铬区的含铬量远低于钝化所需的极限值,其电位比晶粒内部低,也低于碳化物的电位.贫铬区和碳化物紧密相连,当遇到一定腐蚀介质时就会发生短路电池效应.这种情况下碳化物和晶粒呈阴极,贫铬区呈阳极,使贫铬区受到晶间腐蚀.贫铬理论较早的阐述了奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的原因及机理,并已被公认.奥氏体不锈钢在———弓卜一～SOLARENERGY3/2009多种介质中晶间腐蚀都以贫铬理论来解释,其他很多实验和观点也支持了这一理论.二焊接因素不锈钢内胆经过氩弧焊,端盖电阻焊等工序完成加工.但不锈钢内胆作为一个整体,最薄弱的地方是在焊缝处.因为焊缝处经过高温,熔融并在空气中空冷,已经达到了金属再结晶的温度,冷却后又存在金属重结晶的过程,相当于不锈钢又进行了一次热处理,所以会导致焊缝处的金属组织和性能发生很大的变化,容易成为最先发生腐蚀的区域.下面着重介绍焊缝处的腐蚀机理.不锈钢经焊接后,由于在母材上出现与敏化加热温度范围相当的热影响区,使不锈钢在焊缝附近产生晶间腐蚀.固溶处理的奥氏体不锈钢经焊接后,在母材板上稍离焊缝有一些距离的区域出现一条带,此带为焊缝腐蚀区.该区域具有晶问腐蚀敏感性,在使用过程中会发生严重的晶问腐蚀,通常称为焊缝腐蚀.加入Ti,Nb进行稳定化处理的不锈钢,在某些情况下也会因碳化物沉淀而遭受晶问腐蚀,使Ti或Nb不能够与碳化合.例如,1Cr18Ni9Ti(Nb)稳定型不锈钢进行焊接时,邻近焊缝处与熔融金属相接触,温度高达950～1400~,此时钢中MC及稳定型碳化物(TiC,NbC等)全部被溶解.当二次加热时,如焊接后消除应力退火或双面焊,使该部位重新受热,则M,C,TiC,NbC又重新沿晶界沉淀,产生晶间腐蚀.三水质因素根据GB/T5750-2006生活饮用水标准规定:总硬度不大于450mg~;氯离子含量不大于250mg/L;pH值在6.5～8.5之问.太阳能热水器作为一个光照辐射自然循环加热的装置,受到光照,太阳光转化成热,使水不断升温,所以内胆中大部分时间都处表2于一个对流传热的动态过程.这是一个加速腐蚀的环境,如果水质情况较差,氯离子浓度较高,硬度较大,就更容易加速腐蚀,产生大量的水垢,对不锈钢内胆产生很大的影响.表2为几个水质较差的地区的检测结果.实践证明,这几个地区的太阳能热水器使用不到一年,不锈钢内胆就发生严重的腐蚀,导致内胆漏水.四不锈钢内胆腐蚀的解决办法针对以上影响不锈钢内胆腐蚀的主要因素,一些厂家不断进行研发,以避免不锈钢内胆的腐蚀.1无焊缝不锈钢内胆有些厂家生产无焊接不锈钢内胆,整个内胆不采用焊接工艺,而是采用咬口结构,并采用一定的密封方式达到防腐,防漏的效果.但是在这种内胆的使用中,咬口结构不仅需要紧密,而且密封材料的选用也很关键.这是因为水达到沸腾的温度较高,只有选用耐高温,并能持续在高温条件下工作的密封材料才能实现,目前只有少数几个厂家采用.2水质的改善还有一些厂家在水质上下功夫,设计各种水过滤器和净化器,降低水的硬度,减少氯离子含量,但这些设备需定期更换,并且价格较昂贵,在普通的用户中很难推广.因此,对于某些水质较差的区域,应该从自来水的供给上解决,这需要有关部门提供支持.3不锈钢成分的改变作为内胆材料的SUS304是防腐蚀性能较好的一类不锈钢,如果采用高含量的Cr和Ni会使成本增加.由于Ni价格比较昂贵,一些钢铁企业,包括国际的大企业,都在研究不含Ni,而Cr含量高的不锈钢,以有效控制成本,达到防腐蚀的效果.虽然已有一些不锈钢应用于热水器的使用,但质量不稳定.通过相关的实验检测,防腐蚀效果还不能达到SUS304的同等效果,仍需进一步实验.4不锈钢材料的替代当前防腐蚀内胆最主要的一个研究方向是使用不锈钢的替代材料加工内胆.众所周知,随着科学技术的进步,树脂和塑料的功能越来越多,应用范围也越来越广,特别是工程塑料的应用,已深入国民经济的各个部门.由于工程塑料具有良好的物理———卜——SOLARENERGY3/2009S0LARENERGY朋圈翻豳机械强度,在高,低温下仍保持良好的力学,化学,电性能及耐热性,耐磨性和尺寸稳定性等特点,可以替代传统金属材料作为工程上的结构材料.尤其是其中一些材料具有优良的耐热性和化学稳定性,完全能够适应太阳能热水器内胆的工作环境,从理论上可以实现不锈钢的替代.下面着重介绍工程材料的选用和加工方式的选择情况.作为通用工程塑料的改性聚苯醚,具有优良的综合性能,拉伸强度,刚度,冲击强度,抗蠕变及耐热性能较高,可在一l27～121℃条件下长期使用,耐水解,可在120~C蒸汽中蒸煮,耐酸碱,电性能优良,受温度和频率影hind,,吸水性小,尺寸稳定性,耐磨性好等优点.因此,替代不锈钢作为太阳能热水器的内胆具有很大的可行性.在众多的塑料制品加工中,中空吹塑成型的应用日益广泛.尽管吹塑本身并不是一种新的加工工艺,但中空塑料器件是一种新产品.近年来,中空塑料在其他领域上的应用也日新月异,诸如工业用(接48页)(2)推动建立以企业为主体的技术创新体系,支持3～5家重点企业筹建宁夏自治区级太阳能技术创新工程中心,有效提升太阳能开发利用企业自主创新能力.(3)支持大专院校,科研单位进行光热,光伏技术基础研究工作,在宁夏科技攻关和自然科学基金中设立专项基金予以支持.鼓励企业与大专院校,科研单位实行产学研联合,开发具有自主产权的新技术,新产品,加快科研成果的转化及产业化.(4)尽早建立宁夏太阳能开发项目库.选择符合宁夏发展的太阳能技术,组织项目计划,做好项目储备和申报工作,积极争取国家项目支持.5建立完善的太阳能产业发展市场体系(1)建设以园区为载体的专业化太阳能生产基地.结合宁夏太阳能产业发展重点,依托骨干企业,优化产业布局,以工业园区为载体建设专业化的生产基地,推动产业集聚式发展,扩大规模效应.(2)尽快规划在银川市或石嘴山市建设西北地区或国内最大的太阳能产品专营市场.选择大企业,名品牌建立大型太阳能产品专营市场,将会大大提升宁夏太阳能产业发展的影响力和带动力.(3)尽快成立宁夏太阳能行业协会.由宁夏工商联牵头,发改委,经贸委,科技厅,建设厅,农牧厅品,玩具,陈列品,家庭器皿,Et用品,工农业包装容器及建筑器件等,如罐,壶,桶,瓶,杯,球等都是吹塑成型的中空制品.这些制品质轻,耐化学腐蚀,无味无毒,造型美观,成型方便,不易破碎,在工业配套和生活用品中很受群众欢迎.吹塑制品的表面光滑,有光泽.吹塑成型制品冲击着传统材料市场,尤其是液体包装容器.因此随着加工设备和加工工艺的不断进步,选择合适的能够吹塑成型的塑料,设计一定规格的模具进行中空吹塑,加工出适合太阳能热水器使用的内胆是不成问题的.考虑到改性聚苯醚的价格较昂贵,可采用通用塑料进行改性,以最大限度的提升强度,耐温性及化学稳定性,达到使用要求.例如,常用的聚丙烯塑料本身就具有较好的化学稳定性,并可在100～120~C长期使用,几乎不吸水,成型容易.通过一定的改性,例如加玻纤进行增强等措施,使其符合吹塑要求,制造出符合太阳能热水器要求的内胆.匝丑等部门支持,通过联合宁夏太发利用人才.支持太阳能开发利用企业通过委培,定向等方式与院校联合培养急需的专业技术人才.参考文献[1]桑建人.宁夏太阳能资源开发利用探析IJI.宁夏工程技术,2006,5(1):87—89.[2]朱浩珉,石慧.太阳能光伏发电将成世界能源供应主体[N】..cIl,GB,71902,6987587.htm1.[3】牛国元等.宁夏太阳能开发利用及产业化发展方向研究[R].宁夏2007年软科学研究项目,2008,6:57.[4]陈诚.推行积极的产业政策,引领太阳能热利用产业蓬勃发展[J1.应用能源技术,2006,10:6—8.[5]ffl~为公,孙宁璋.宁夏太阳能开发应用的规划宁夏工程技术.2006,5(4):442—443.匾珥。